▲ 한국공학대 반도체공학부 남옥현 교수 연구팀 (오른쪽 첫번째 남옥현 교수)

한국공학대학교(총장 황수성)는 반도체공학부 남옥현 교수 연구팀이 추진하는 ‘다이아몬드 기반 우주용 반도체 개발’ 연구가 산업통상자원부의 국가 연구개발 사업인 산업기술알키미스트 프로젝트 3단계 과제에 최종 선정됐다고 밝혔다.

이번 과제는 향후 5년간 진행되는 연구로 총 201억원 규모로 추진될 예정이다.

최근 저궤도 위성군 구축, 심우주 탐사, 우주 기반 통신·감시 시스템 확대 등 민간 중심의 우주 산업 경쟁이 본격화되며 ‘뉴 스페이스(New Space)’ 시대가 빠르게 도래하고 있다. 이에 따라 극한 방사선과 급격한 온도 변화 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 차세대 반도체 기술 확보가 국가 전략 과제로 부상하고 있다.

특히 우주·국방 환경에서 장기간 안정적으로 동작할 수 있는 초광대역(UWBG·Ultra-Wide Bandgap) 반도체 (고온·고전압·방사선 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 반도체 소재) 플랫폼 확보는 글로벌 기술 경쟁의 핵심 분야로 평가된다.

산업기술알키미스트 프로젝트는 실패 가능성이 높더라도 세계 최초·최고 수준의 원천기술 확보에 도전하는 도전혁신형 고난도 국가 연구개발 사업이다. 이번 3단계 과제는 세계 최초의 다이아몬드 기반 우주용 반도체 통합 플랫폼 구현을 목표로 하는 실증 단계 연구다.

앞서 진행된 1~2단계 연구(2024~2025년)에서는 총 8개 연구팀이 경쟁을 펼쳤으며, 단계 평가를 통해 기술 차별성과 수행 역량을 종합적으로 검증받은 결과 한국공학대 연구팀이 최종 연구 수행기관으로 선정됐다.

이번 프로젝트는 한국공학대가 주관기관으로 수행하며 한국전자통신연구원(ETRI), 한국에너지공과대학교, 홍익대학교, 한국세라믹기술원, 한국원자력연구원이 공동 연구기관으로 참여한다. 해외 협력기관으로는 미국 스탠퍼드대학교와 펜실베니아주립대학교가 참여하며, 산업계에서는 반도체 기업 칩스케이가 참여해 향후 기술 사업화와 산업 확산을 담당할 예정이다.

연구팀은 다이아몬드 웨이퍼 성장 기술, 반도체 소자 구조 설계 및 소자개발, 신뢰성 평가, 우주 환경 모사 검증 등 연구 전 과정을 총괄하며, 산·학·연·해외 협력 네트워크를 기반으로 글로벌 최고 수준의 우주용 반도체 기술 경쟁력 확보를 추진할 계획이다.

기존 실리콘(Si) 기반 반도체는 지상 환경에서는 안정적으로 동작하지만 우주 환경에서는 고에너지 입자와 방사선 영향으로 단일사건효과(SEE·Single Event Effect) *(우주 방사선이나 고에너지 입자 충돌로 반도체가 순간적으로 오작동하는 현상)*가 발생할 수 있다. 또한 임계전압 변동, 누설전류 증가 등 성능 저하 문제가 발생할 수 있으며, 고온·고전압 환경에서 열적 한계가 존재해 추가적인 냉각 장치나 차폐 시스템이 필요하다. 이는 시스템 무게 증가와 신뢰성 저하로 이어질 수 있다.

반면 다이아몬드는 매우 넓은 밴드갭과 최고의 열전도율, 높은 전계 파괴 강도를 지닌 초광대역(UWBG) 반도체 소재로, 방사선 환경에서도 안정적인 특성을 유지해 장기 운용 위성 전력 시스템과 심우주 탐사용 전자장비에 적합한 차세대 반도체 소재로 평가받고 있다.

이번 연구는 단순한 다이아몬드 반도체 소자 개발을 넘어 질화물 반도체(AlGaN 등)와의 융합 연구를 통해 고출력·고주파 특성과 극한환경 신뢰성을 동시에 확보하는 우주용 반도체 통합 플랫폼 구축을 목표로 한다. 이를 통해 차세대 우주 전력·통신 시스템에 적용 가능한 핵심 반도체 기술을 확보한다는 구상이다.

▲ 방사선 및 초고온 등 우주극한 환경에서 우수한 특성을 갖는 다이아몬드 기반 반도체

또한 다이아몬드는 내부 격자 결함인 NV 센터에서 양자얽힘 특성을 보여 양자 센싱, 통신, 컴퓨팅 등 광범위한 응용이 가능하며, 극저온이 아닌 상온에서 동작이 가능하다는 특성으로 차세대 양자기술로 주목받고 있다. 특히 연구단에서 개발에 성공한 (111)면 단결정 다이아몬드는 NV 센터 정렬 특성이 우수해 고감도 양자 센서와 단일광자 소자 구현에 유리한 것으로 알려져 있다.

남옥현 교수는 “우주 시대를 맞아 반도체는 산업 경쟁력을 넘어 국가 안보와 기술 주권을 좌우하는 전략 자산이 되고 있다”며 “다이아몬드 기반 우주용 반도체와 질화물 융합 플랫폼을 통해 극한 환경 반도체 분야에서 세계적인 기술 경쟁력을 확보할 수 있도록 연구에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.

연구진은 향후 5년간 대면적·고품질 다이아몬드 소자 기술 개발과 융합 반도체 소자 기술 개발을 병행해 우주·국방·양자기술 분야까지 확장 가능한 차세대 반도체 플랫폼을 구축할 계획이다.